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此儀器為測量環(huán)境中γ放射性劑量率濃度的測量?jì)x表，分成探頭和主機兩大部分：其中探頭由高低量程GM計數管、計數單元和通訊單元組成；主機由通訊、處理單元、鍵盤(pán)、和顯示部分組成。 1 探頭原理 1．1 蓋革-彌勒計數管原理 GM管原理見(jiàn)圖1。蓋革-彌勒計數管(GM管)也稱(chēng)氣體放電計數器。一個(gè)密封玻璃管，中間是陽(yáng)極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質(zhì)，或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內部抽空充惰性氣體(氖、氦)、鹵族氣體。特點(diǎn)是工作電壓低。 當射線(xiàn)進(jìn)入計數管后氣體被電離，負離子由陽(yáng)極吸引移向陽(yáng)極時(shí)，離子又與其他氣體分子碰撞后產(chǎn)生多個(gè)次級電子，快到陽(yáng)極時(shí)次極電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現象。雪崩引起陽(yáng)極整條線(xiàn)上雪崩，發(fā)生放電，放電后空間電子又被中和，剩下許多正離子包圍陽(yáng)極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽(yáng)極間的電場(chǎng)因正離子的存在而減弱。此時(shí)若有電子運動(dòng)到該區域，也會(huì )產(chǎn)生雪崩放電，這段時(shí)間不能計數，稱(chēng)"死時(shí)間"。正離子打到陰極時(shí)會(huì )產(chǎn)生(打出)電子，電子被電場(chǎng)加速，又引起計數管放電產(chǎn)生正離子鞘，這一過(guò)程循環(huán)出現。 計數管上電壓U一定時(shí)，射線(xiàn)入射越強電流I越大，輸出脈沖數N越大，a、b段稱(chēng)"坪"，蓋格計數管主要用于探測β粒子和γ射線(xiàn)。 1．2探頭電路 探頭有高壓產(chǎn)生電路、高低量程兩支蓋革-彌勒計數管(GM管)、單片機SM89C52、串口轉485通信芯片MAX485構成，如圖2所示。 高壓產(chǎn)生電路為高低量程GM管提供高壓，使得GM管可以工作。GM管用來(lái)測定輻射，射線(xiàn)通過(guò)GM管并引起電離時(shí)便使該GM管產(chǎn)生電流脈沖，脈沖經(jīng)整形電路、2分頻電路后變成邊緣陡峭的方波，送到SM89C52的T0，T1定時(shí)器做計數，對低量程使用T0作計數，T1作1秒定時(shí)，而高量程則使用T1作計數，T0作定時(shí)，主機可通過(guò)發(fā)送命切換令高低量程測量，當探頭接到主機發(fā)來(lái)的查詢(xún)命令后便把每秒計數值(CPS)返回給主機。探頭電源透過(guò)電纜從主機得到。 低量程GM管ZP1210和高量程GM管Zp1304的接口方式不太一樣，依據數據手冊設計如圖3所示。 2 主機工作原理 主機由單片機SM89C58，12 864點(diǎn)陣液晶、4個(gè)按鍵、MAX 485芯片、AT24C64、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片M41T0構成，主機和探頭通過(guò)電纜連接，如圖4所示。主機的工作是定時(shí)查詢(xún)探頭，得到CPS，運算轉換成劑量率顯示在LCD上，同時(shí)根據該數據決定是否發(fā)送命令切換測量通道、給高低量程GM管哪一個(gè)加高壓。M41T0給系統提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。AT24C64用來(lái)保存系統參數和密碼等，也用來(lái)保存帶有時(shí)間信息的測量結果，在測量界面下用戶(hù)對當前測量結果可以保存，以便事后追查。主機在液晶上通過(guò)菜單配合4個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現參數的設定、時(shí)間日期調整、密碼管理等。并提供中英文兩種語(yǔ)言切換，可擴展其他任意語(yǔ)言顯示。 探頭GM管得到的每秒計數值(CPS)需要經(jīng)過(guò)運算才能轉換為劑量率的的單位為微戈瑞每小時(shí)(μGy／h)，轉換公式為： 其中D是劑量率，單位是μGy／h；K是探頭靈敏度，常數；t是死時(shí)間(dead time)，單位是s；N是每秒計數值，即每一秒GM管受輻射而產(chǎn)生脈沖個(gè)數。對于低量程探頭(ZP1210)，t的取值范圍是50～80μs，K的取值范圍是2．5～3．2；對于高量程探頭(ZP1304)，t的取值范圍是21～35 μs，K的取值范圍是O．030～0．040。高低GM管的ι，K均可在主機通過(guò)菜單設定，而每一套測量?jì)x均需要做校準來(lái)設定ι，K值。由于ι，K是整個(gè)計算的重要參數，不能被使用者隨意修改，因此在儀器設計時(shí)，添加了密碼保護功能，進(jìn)入ι，K的設定菜單需要使用者輸入密碼，密碼驗證通過(guò)才能修改ι，K參數。 由于放射性的隨機特性，故由儀器所檢測到的CPS會(huì )有抖動(dòng)變化，主機程序對連續數次測量結果做平滑濾波處理，使得測量結果更準確。若是取平均的測量結果太少，平滑效果不佳；若是取平均的測量結果太多，那么會(huì )導致儀器相應速度變得很慢。因此綜合考慮采取5個(gè)點(diǎn)的平均。 3 量程切換 低量程GM管ZP1210可以測量10-1～104μGy／h的輻射劑量，而高量程GM管ZP1304可以測量102～107μGy／h的輻射劑量。 量程切換見(jiàn)圖5，主機根據從機得來(lái)的實(shí)時(shí)CPS數據運算得到以μGy／h為單位的劑量率結果，主機會(huì )檢測連續的數次測量結果，當發(fā)現測量結果的變化趨勢是從小于1200 μGy／h變到大于1 200μGy／h時(shí)，主機發(fā)送命令給從機，讓從機對高量程GM測量計數值；當發(fā)現測量結果的變化趨勢是大于800 μGy／h變到小于800μGy／h時(shí)，主機發(fā)送命令給從機，讓從機對低量程GM測量計數。這樣高低量程GM管測量切換分別發(fā)生在800μGy／h和1 200μGy／h兩個(gè)位置，從而避免了在單一位置實(shí)施切換時(shí)容易發(fā)生振鈴，頻繁切換高低量程的情況出現。 當出現大劑量輻射時(shí)低量程GM管的高壓應當關(guān)斷，停止工作，以避免損傷低量程GM管，再加上為了節省電池電能，探頭有必要對耗電的高壓產(chǎn)生電路實(shí)施控制。主機發(fā)現測量結果小于800μGy／h時(shí)關(guān)斷高量程GM管的高壓、打開(kāi)低量程GM管的高壓，大于1 200μGy／h時(shí)關(guān)斷低量程GM管的高壓、打開(kāi)高量程GM管的高壓，大于800 μGy／h小于1 200 μGy／h時(shí)同時(shí)打開(kāi)高低量程GM管的高壓。高低量程GM管高壓打開(kāi)、關(guān)斷控制切換圖如圖6所。 為了避免開(kāi)機時(shí)，大劑量輻射損傷低量程GM管，開(kāi)機時(shí)探頭給高量程GM管加高壓，關(guān)斷低量程GM管高壓，測量從高通道GM開(kāi)始。探頭的單片機SM89C52根據主機的命令來(lái)決定是否對于高低量程GM管加高壓。 4 聲光報警 由于射線(xiàn)的危險性，當環(huán)境的射線(xiàn)劑量大于一定值時(shí)，儀器需要給用戶(hù)提示，提醒用戶(hù)注意。用戶(hù)可以設定儀器的報警閾值。當主機判別劑量值大于用戶(hù)設定的閾值時(shí)，主機在液晶屏幕上顯示"超過(guò)閾值"的報警提示，并且響起蜂鳴器。 主機在發(fā)現跟探頭通訊失敗后也需要報警提示用戶(hù)去檢查線(xiàn)路和探頭。 5 結 語(yǔ) 環(huán)境γ劑量率測量?jì)x研制成功，經(jīng)校準后交付給用戶(hù)，用戶(hù)反映良好。本儀器主要用來(lái)對γ射線(xiàn)進(jìn)行劑量率的測量并報警，也可應用于工業(yè)無(wú)損探傷、醫院γ刀治療、同位素應用、γ輻照、醫院X射線(xiàn)診斷、鈷治療、核電站等放射性場(chǎng)所，提醒工作人員放射源或射線(xiàn)裝置已處于工作或泄漏狀態(tài)，從而保護工作人員的安全。 |
